Lezione n.5 (Corso di termodinamica) Termodinamica degli stati: superficie caratteristica e piani termodinamici.

Presentazione sul tema: "Lezione n.5 (Corso di termodinamica) Termodinamica degli stati: superficie caratteristica e piani termodinamici."— Transcript della presentazione:

1 Lezione n.5 (Corso di termodinamica) Termodinamica degli stati: superficie caratteristica e piani termodinamici

2 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli stati Indice   solido   liquido   vapore saturo   vapore surriscaldato   gas

3 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli stati T < T c Liquido sottoraffreddato Liquido saturo e vapore saturo Vapore surriscaldato Liquido - Vapore

4 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli stati gas T > T c sostanza T c [ °C] metano -82 -82 acqua 374 374 aria -141 -141 ossigeno -118 -118 propano 97 97 il metano, l’aria e l’ossigeno, alla temperatura ambiente, sono sempre in fase gassosa Gas

5 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli stati T p TATA psps pApA A pApA A Individuazione della fase assegnate due proprietà intensive p A > p sat (t A ) p A < p sat (t A ) A liquido sottoraffreddato vapore surriscaldato p A = p sat (t A ) vapore saturo

6 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli stati T p Individuazione della fase assegnate due proprietà intensive TATA TsTs pApA AA TATA A T A < T sat (p A ) T A > T sat (p A ) liquido sottoraffreddato vapore surriscaldato T A = T sat (p A ) vapore saturo

7 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli stati

8 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli stati Esercizio: S OSTANZA A CQUA T [°C ] p [kPa ] F ASE 6015 63150 22012200 1602200 46015700 Vapore Surriscaldato Liquido Sottoraffreddato Gas

9 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli stati LIQUIDO SOTTORAFFREDDATO (O COMPRESSO)

10 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli stati Modello Liquido sottoraffreddato Le proprietà pressione ed entalpia non possono essere definite come proprietà termodinamiche:

11 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli stati  u = c  T  h = c  T+ v  p  s = c ln(T 2 / T 1 ) Modello Liquido sottoraffreddato

12 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli stati T p 80 0,5 1 A p A >p sat (T A ) p A >p sat (T A ) p sat (80°C) = 0,5 bar liquido sottoraffreddato T A = 80 °C p A = 1 bar Esempio: Liquido sottoraffreddato

13 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli stati VAPORE SATURO

14 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli stati Vapore saturo: miscela liquido e vapore saturo Composizione massica della miscela: titolo x = m vs /(m l + m vs ) m vs mlmlmlml x = 0 liquido saturo x = 1 vapore saturo secco 0 < x < 1 0 < x < 1

15 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli stati Vapore saturo v = v l + x (v VS - v l ) u = u l + x (u VS - u l ) h = h l + x (h VS - h l ) s = s l + x (s VS - s l )

16 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli stati

17 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli stati p = 101 kPat = 100 °C p = 85 kPa t = 95 °C p = 200 kPa t = 120 °C Temperatura di ebollizione

18 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli stati per ogni sostanza pura esiste un legame monotono crescente tra pressione e temperatura durante il passaggio di fase

19 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli stati t p

20 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli stati T p Esercizio Dell’acqua è riscaldata in un sistema pistone-cilindro, il cui diametro interno è di 5 cm; il pistone ha una massa di 20 kg. La pressione esterna è di 101 kPa; a che temperatura comincia a bollire l’acqua? P [bar] t [° C] 1,00 1,00 99,6 99,6 1,20 1,20 104,8 104,8 1,40 1,40 109,3 109,3 1,60 1,60 113,3 113,3 104,8 109,3 1,2 1,4 1,26 106

21 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli stati Dell’acqua è riscaldata in un sistema pistone-cilindro, il cui diametro interno è di 5 cm; il pistone ha una massa di 20 kg. La pressione esterna è di 101 kPa; a che temperatura comincia a bollire l’acqua?

22 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli stati GAS e VAPORE SURRISCALDATO

23 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli stati Modello di Gas Ideale: interpretazione microscopica Le molecole possono essere trattate come masse puntiformi. Le molecole possono essere trattate come masse puntiformi. Le collisioni tra le molecole sono elastiche (i.e. l’energia cinetica si conserva). Le collisioni tra le molecole sono elastiche (i.e. l’energia cinetica si conserva). Le forze intermolecolari di attrazione e repulsione sono trascurabili rispetto alla quantità di moto delle molecole. Le forze intermolecolari di attrazione e repulsione sono trascurabili rispetto alla quantità di moto delle molecole.

24 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli stati Fattore di compressibilità Il fattore di compressibilità Z di un gas è definito come Il fattore di compressibilità Z di un gas è definito come se il gas ha comportamento ideale, allora Z=1 al variare della pressione e della temperatura. se il gas non ha comportamento ideale (gas reale), allora il valore di Z è diverso da 1 e varia con la pressione

25 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli stati p V = m R T sostanza R [kJ/kg K] metano 0,518 0,518 acqua 0,461 0,461 aria 0,287 0,287 ossigeno 0,260 0,260 propano 0,188 0,188 Modello di gas ideale p v = R T p V = n R o T p v m = R o T Ro = costante universale dei gas = 8.314 kJ/kmol K

26 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli stati

27 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli statiSostanza c v [kJ/kg K] c p [kJ/kg K] metano 1,74 1,74 2,25 2,25 acqua 1,41 1,41 1,87 1,87 aria 0,72 0,72 1,01 1,01 ossigeno 0,66 0,66 0,92 0,92 propano 1,49 1,49 1,68 1,68 Modello di gas ideale

28 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli stati Esercizio Il serbatoio di un autotreno per il trasporto del metano ha un volume di 10 m 3. Appena pieno il serbatoio si misurano una temperatura di 200 K ed una pressione di 7,9 MPa. Quanto metano è stato caricato? Durante il trasporto, a causa del cattivo isolamento termico, la temperatura aumenta fino a 286 K; quale sarà la pressione? Quanta energia è stata trasferita al metano?

29 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli stati

30 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli stati Esercizio La pressione dell’aria in un pneumatico è di 210 kPa superiore a quella ambiente quando la sua temperatura è di 25 °C. Che pressione verrà misurata se la temperatura sale fino a 50 °C? Se il volume del pneumatico è di 0,025 m 3, quanta aria deve essere espulsa per riportare la pressione al valore iniziale? Quanta energia è stata trasferita all’aria nel pneumatico ?

31 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli stati

32 Modulo di TermodinamicaLezione 5 – Termodinamica degli stati